DE202009008343U1 - Vorrichtung zur Schaffung eines umlaufenden Isolationsgraben zwischen Funktions- und Randzone bei Dünnschicht-Solarzellen und zur gleichzeitigen Entfernung der leitenden Schichten in den Randzonen mittels Laser - Google Patents

Vorrichtung zur Schaffung eines umlaufenden Isolationsgraben zwischen Funktions- und Randzone bei Dünnschicht-Solarzellen und zur gleichzeitigen Entfernung der leitenden Schichten in den Randzonen mittels Laser Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung einer Isolationsbarriere zwischen Randzone und photoaktiver Fläche bei Dünnschichtsolarzellen dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorrichtung mittels Laserstrahlung gleichzeitig zum einen ein umlaufender Isolationsgraben in die photoaktive Fläche eingebrannt wird und zum andern leitendes Material, das am Isolationsgraben übersteht, rückstandsfrei bis zum Rand des Substrats entfernt wird.

Description

  • Aufgabenbeschreibung und Stand der Technik
  • Dünnschicht-Solarzellen sind im Wesentlichen eine Folge dünner Funktionsschichten, die auf ein Glassubstrat aufgebracht sind.
  • Die Glassubstrate durchlaufen bei der Herstellung der Dünnschicht-Solarzellen insgesamt drei Beschichtungsstationen, bei denen in feinsten Schichten leitfähiges transparentes Oxid (sog. TCO), halbleitendes Material (z. B. Silizium, Kupfer-Indium-Selen oder Cadmium Tellurit) und ein metallischer Rückkontakt (in der Regel Molybdän) auf das Glas aufgetragen werden.
  • Nach den einzelnen Beschichtungsschritten werden mit Laserstrukturierungsanlagen in die aufgebrachten Schichten jeweils Längsfurchen gebrannt, die die einzelnen Längsstreifen elektrisch gegeneinander isolieren. Dabei werden im Abstand einiger Millimeter bis zu 100 feine Linien mit hoher Präzision auf die Substrate eingebracht (sog. P1-Strukturierung). Im folgenden Prozessschritt (P2) werden diese Linien mit einem Versatz von nur wenigen μm erneut auf das Substrat strukturiert. Nach der dritten Beschichtung wird dieser Schritt nochmals wiederholt (P3). Die eingesetzten Laserquellen für diese Schritte haben typischerweise Wellenlängen von 532 nm und 1064 nm und mittlere Leistungen im Bereich einiger Watt.
  • Abschließend wird dann noch ein etwa 0,2 mm breiter Isolationsschnitt durch das gesamte Schichtpaket, umlaufend am äußeren Rand der Zelle durchgeführt, um eine elektrische Trennung zwischen Funktions- und Randbereich zu gewährleisten. Dieser auch als „P4” bezeichnete Schritt wird bisher ebenfalls in den P3 Strukturierungsanlagen durchgeführt. Allerdings muss hierzu die P3 Anlage, die an sich nur 40 μm breite Furchen liefert, 6–8 Furchen aneinanderreihen, um die insgesamt 200 μm Grabenbreite herzustellen. Die Bearbeitung erfolgt entlang der 4 Ränder. Es müssen daher bis zu 32 Linien mit einer durchschnittlichen Länge von etwa 1 m gesetzt werden. Das heißt die Anlage muss 32 m Achsfahrten durchführen. Bei 1 m/s Achsgeschwindigkeit (begrenzt durch den hochpräzisen Achsantrieb) kostet dieser Prozessschritt dementsprechend ca. 30 s zusätzlich zum zuvor durchgeführten P3-Schritt.
  • Der Prozess der P1–P3 Laserstrukturierung erfordert aufgrund der notwendigen Genauigkeiten hochpräzise Maschinen mit luftgelagerten Antrieben und Achssystemen, die auf spezielle Granitmaschinenkörper montiert sind. Entsprechend haben die auf dem Markt erhältlichen geeigneten Systeme hohe Investitionskosten von bis zu 1,2 Mio. EUR pro Anlage.
  • Für die P4 Strukturierung ist hingegen eine Positionstreue von 0,2 mm hinreichend genau – die hohe Präzision der kommerziell erhältlichen P3 Anlagen ist daher für diesen Schritt unnötig. Gleichzeitig ließe sich der eigentliche Prozess-Schritt deutlich schneller durchführen, wenn von vorneherein mit einem entsprechend stärkeren Laser statt vieler 40 μm breiter eine 200 μm breite Linie ausgeleuchtet würde.
  • Im Nachgang zum Isolationsschritt erfolgt dann die so genannte Randentschichtung. Dazu muss der Schichtaufbau in einem 10–15 mm breiten Streifen umlaufend am äußersten Glasrand entfernt werden, ohne dass das Glas angegriffen oder die Funktionsfläche beschädigt wird.
  • Die bisherigen Verfahren zur Randentschichtung basieren auf dem Einsatz von mechanischen Schleifscheiben, oder dem Druckstrahlen mit abrasivem Strahlgut. Diese Verfahren verschleißen die Glasoberfläche und können Mikrorisse in das Glas einbringen. Im Hinblick auf die für die Solarzellen geforderten Lebensdauer von deutlich über 10 Jahren, befürchten die Hersteller Langzeitschäden, falls diese Mikrorisse witterungsbedingt wachsen. Außerdem ist der Einsatz von Strahlgut in den Reinräumen der Fertigungsstätten problematisch.
  • Bereits heute ist für die Randsentschichtung der Einsatz von diodengepumpten gepulsten Nd: YAG Lasern als alternatives Verfahren bekannt. Bei dieser Bearbeitung treten keine Mikrorisse auf und die Laserbearbeitung eliminiert als „trockenes” Verfahren den Einsatz von Strahlgut und somit anfallende Prozessrückstände.
  • Beschreibung der Vorrichtung
  • Die Vorrichtung erlaubt den P4-Schritt und die Randentschichtung in einer Anlage durchzuführen, wodurch sich gegenüber dem Stand der Technik eine erhebliche Kosten- und Zeitersparnis ergibt.
  • Die Vorrichtung ist mit zwei Strahlquellen ausgerüstet, eine für die Randentschichtung (Nd: YAG Laser, diodengepumpt, gütegeschaltet, Wellenlänge 1064 nm, mittlere Leistung im Hundert-Watt-Bereich) und eine für den Isolationsschritt (Nd: YAG Laser, diodengepumpt, Wellenlänge 532 nm, mittlere Leistung im Watt-Bereich).
  • Der Laser für die Randentschichtung ist mit einem 2-Achsen-Galvoscanner kombiniert. Typischerweise ist dessen Bearbeitungsfeld 100 × 100 mm2. Die mit dem Scanner integrierte Fokussierungsoptik liefert auf dem Objekt einen quadratischen Brennfleck mit 0,2–1 mm Kantenlänge.
  • Der Laser wird typischerweise mit 10–50 kHz betrieben. Mit dieser hohen Pulsfrequenz wird vom Scanner Brennfleck an Brennfleck aufgereiht, wobei im Prinzip das gesamte 100 × 100 mm2 Bearbeitungsfeld lückenlos überdeckt werden kann. In der Praxis überstreicht der Scanner jedoch nur einen der Aufgabenstellung angepassten Teilbereich – zum Beispiel ein 15 × 40 mm2 Feld wenn ein 15 mm breiter Randstreifen gefordert ist.
  • Dieser schnellen Scannerbewegung (mehrere Meter pro Sekunde) überlagert ist eine langsamere Relativbewegung (Meter pro Minute) zwischen Solarzelle und Scaneinheit. Dadurch wird das ursprüngliche 15 × 40 mm2 Rechteck zu einer Raute gestreckt, die mit 15 mm Breite entlang der Solarzelle wandert. Mit einer geeigneten X-Y Achsen-Kinematik des Scankopfs oder mit Hilfe eines Knickarm-Roboters und ortsfestem Scanner kann so ein umlaufender Rand auf der Solarzelle freigelegt werden.
  • Der Laser für den P4–Schritt hat keinen Scanner. Seine Fokusoptik ist so eingestellt, dass sich auf dem Objekt ein kreisförmiger Fleck mit 0,2 mm Durchmesser ergibt.
  • Der Scanner für die Randentschichtung und die Optik für den P4-Schritt sind auf einer gemeinsamen Montageplatte fest verschraubt. Der P4 Laserstrahl trifft schräg auf das Objekt und ist so ausgerichtet, dass sein Auftreffpunkt mit dem Mittelpunkt des 100 × 100 mm2 Bearbeitungsfeld des Scanners überlappt. Durch Relativbewegung zwischen Solarzelle und Montageplatte kann so in einem Arbeitsgang der Isolationsschnitt und die Randentschichtung gemeinsam durchgeführt.
  • Im Folgenden wird dies im Detail beschrieben. Bei einer Solarzelle mit 2600 × 2000 mm Außenmaß soll ein umlaufender Rand mit 15 mm Breite entschichtet. werden. Außerdem soll ein umlaufender Isolationsschnitt mit 1 mm Abstand vom Innenrand des Randstreifens angebracht werden. Hierzu wird zunächst der Brennfleck des P4 Lasers und damit auch der Mittelpunkt des Scannerfelds auf die rechte untere Ecke der Solarzelle gerichtet und zwar jeweils in 16 mm Abstand von den Kanten. Dies ist der Startpunkt der Bearbeitung. Der Scanner ist so programmiert, dass bei der Bewegung der Scanner/P4 Laser-Einheit von unten nach oben längs der rechten Kante der Solarzelle nur im 1. Quadrant (rechts oben) und 4. Quadrant des Scannerfelds (rechts unten) bearbeitet wird und dort so einen Streifen mit 15 mm Breite erzeugt. Parallel hierzu in 1 mm Abstand erzeugt der P4 Laser den Isolationsschnitt. Der Vorschub stoppt, wenn P4 16 mm vom oberen Rand der Solarzelle entfernt ist. Bevor der P4 Laser nun horizontal von rechts nach links fährt, wechselt der Scanner sein Programm. Nun findet nur in den Quadranten 1 (rechts oben) und 2 (links oben) eine Bearbeitung statt. 16 Millimeter vor der linken Kante der Solarzelle stoppt die Bewegung wieder. Vor der Fahrt nach unten entlang der linken Kante wechselt das Scannerprogramm wieder und arbeitet nun in Quadrant 2 und 3. Schließlich arbeitet das Programm in Quadrant 3 und 4 bei der horizontalen Rückfahrt zum Ausgangspunkt.
  • Auf diese Weise erhält man gleichzeitig den 15 mm breiten umlaufenden Rand und in einem Millimeter Abstand den umlaufenden Isolationsschnitt.
  • Die entscheidenden Vorteile einer kombinierten Bearbeitung sind insbesondere:
    • – Die Taktzeit der P3 Laseranlagen lässt sich durch den Wegfall des P4 Schritts auf die Hälfte reduzieren. Die Anzahl der pro Anlage erforderlichen P3-Maschinen (Stückpreis 0,8–1,2 Mio. EUR) reduziert sich entsprechend. Wenn bisher vier P3-Anlagen parallel eingesetzt werden, um den erforderlichen Durchsatz zu realisieren, so können durch die beschriebene Vorrichtung zwei der Anlagen eingespart werden.
    • – Weil die Randentschichtung und der Isolationsschnitt parallel in einer Maschine und in einer Aufspannung erfolgen, lässt sich der Abstand zwischen dem P4 Graben und der Randentschichtungszone minimieren. Dadurch kann die lichtabsorbierende Oberfläche des Solarmoduls optimal genutzt werden und somit ein besonders hoher Wirkungsgrad erzielt werden.

Claims (6)

  1. Vorrichtung zur Erzeugung einer Isolationsbarriere zwischen Randzone und photoaktiver Fläche bei Dünnschichtsolarzellen dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorrichtung mittels Laserstrahlung gleichzeitig zum einen ein umlaufender Isolationsgraben in die photoaktive Fläche eingebrannt wird und zum andern leitendes Material, das am Isolationsgraben übersteht, rückstandsfrei bis zum Rand des Substrats entfernt wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung durch gepulste Laser erzeugt wird, wobei für den Isolationsgraben ein Laser im sichtbaren Spektralbereich und für das Entfernen des überstehenden leitenden Materials ein Laser im nah-infraroten Spektralbereich eingesetzt wird.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlquelle diodengepumpte, gütegeschaltete Neodym Laser benutzt werden, wobei der Laser für den Isolationsschnitt frequenzverdoppelt ist, während der Laser für die Entschichtung des Rands mit der Fundamentalwellenlänge betrieben wird.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Entschichtung des Rands der entsprechende Laser in Verbindung mit einem zweidimensionalen Scanner betrieben wird, während der Laser für den Isolationsschnitt direkt auf die Solarzelle projektiert wird.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl für den Isolationsschnitt innerhalb des Bearbeitungsfelds des Randentschichtungsscanners auf die Solarzelle trifft und synchron mit diesem dem umlaufenden Rand der Solarzelle entlang geführt wird.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass von dem gesamten Bearbeitungsfeld des Scanners je nach Verlauf des Solarzellenrands nur die entsprechenden Teilbereiche links, rechts und oben, unten bearbeitet werden, so dass sinngemäß ein umlaufender Isolationsschnitt mit konstantem Randabstand erzeugt wird.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102011075328A1 (de) * 2011-05-05 2012-11-08 Interpane Entwicklungs-Und Beratungsgesellschaft Mbh Vorrichtung und Verfahren zum Randentschichten und Kerben beschichteter Substrate

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